大型城市地下空间结构抗震设计方案探究

2020-03-25许平中铁二院工程集团有限责任公司机械动力工程设计研究院四川成都610000

建材发展导向 2020年4期

许平（中铁二院工程集团有限责任公司机械动力工程设计研究院四川成都610000）

0 引言

当地震发生时，从震源释放的部分能量以波的形式向四周传播而形成地震波，它可以分为纵波、横波和面波[1]。20 世纪80 年代以来，有关机构发布了许多关于大地震后城市地下结构的破坏的研究报告[2]。通常情况下，人们会觉得地下空间的抗震性能高于地面建筑的抗震性能，地下结构的地震安全性并没有引起人们的重视，以往学者们普遍认为地下结构完全被土体所包围，地震时地下结构比地面结构安全[3]。但在近些年的大地震当中，许多城市地下空间结构出现了严重的破坏甚至完全倒塌的现象，这些地震灾害带来的惨痛教训再一次警示人们，必须科学地加强中国城市防震减灾体系的建设，保障国家经济、社会发展稳定的需求[4]，所以做好地下空间的抗震设计就尤为重要。

1 中国城市地下空间开发利用特点

中国城市地下空间起步及开发于20 世纪60~70 年代，当时地下空间的建设主要以地下铁路、地下工厂以及人防工程建设为主，但经过中国经济的几十年发展，现阶段我国城市地下空间使用主要体现在以下方面：

1.1 大型地下水下隧道工程

中国已经建设完成多条过江隧道以及外滩观光隧道，其中宁波以及南京等城市已经建设完成过江隧道。

1.2 以防御战争为主要目的的地下建筑

中国建国初期阶段，我国国防建设处于相对较为紧张的状态，因此国家有计划的进行了大批量的地下军事防护工程建设。20 世纪80 年代中期以后我国进入了和平建设阶段，将已经完成的老旧地下工程建筑再次开发进行利用。

1.3 与人防工程想结合所建设的地下建筑

这种方式在中国许多城市的地下空间中都有所体现，比如西安的鼓楼广场以及其地下工程，将古代与现代、地下与地上相互结合，为市民提供一个游玩放松的文化广场。

1.4 以缓解当地交通压力所建设的地下隧道工程

中国城市地下轨道交通发展最明显的例子就是北京地铁的开发与建设，北京地铁是我国城市地下空间的城市交通建设的先河，北京地铁的建设为城市交通运输提供服务。

1.5 城市共同沟建设

中国多个城市已经使用了城市共同沟建设，并已经取得一定的成效，比如上海所建的防洪排涝地下雨水调节池、各类地下能源存储与供给设施以及雨污水地下收集处理设施等。21 世纪后，中国城市地下空间的使用数量增长速度直线上升，并且空间体系也不断的得到完善，中国也已经成为了世界上城市地下空间使用大国。

2 减轻和防御地下结构震害的工程措施

地震对于地下空间的影响共有两类，一种是振动作用，一种是地基失效，两种都能在很大程度上影响地下空间的安全性。

影响地震破坏的主要原因分为：地下空间结构的形状、地下空间结构的大小和地下空间结构的深度，地下空间结构周围岩土的性质，结构自身的功能以及地震幅度的大小。提高地下空间的抗震能力引起破坏的策略取决于地下结构的失效模型，假使地下空间结构的整体稳定性出现问题，应加强其自身结构以及毗邻的地层结构。例如隧道口在入口以及车站部分都会发生刚度突变，导致地下结构受差异位移，并造成产生应力集中的现象。解决这种接头问题最简单的办法就是使用柔性接头，通常情况下隧道抗震分析认为隧道衬砌是连续的，但实际情况下隧道通常是由切片所拼装而成的，切面接头的链接设计应满足未来所发生的地基变形情况。

对于圆形隧道来讲，最常见的震害情况是隧道与周围地基土接触面受损，并且导致隧道衬砌的强度下降。针对第一种震害现象，可以通过改良地基的施工技术，并且加强隧道与地基之间的接触，保证隧道的安全性。针对第二种震害现象，可以通过施工时利用钢筋混凝土以及钢构件加强隧道衬砌的强度。如在设计苏州太湖新城地下空间时，地下结构采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，顶板3m，负一层以及负二层板厚1.4 m，底板厚12m，侧墙负三层厚8m，负二层厚7m，负一层厚6m，顶板框架梁6.5 m×12m，负一层以及负二层框架梁5 m×6m，柱9 m×9m，其施工现场如图1 所示。

圆形隧道的使用期限受衬砌与周围岩土介质的接触特性所影响，圆形隧道的加强手段包括增加衬砌厚度、附加钢衬砌、设置隔震层以及增加配筋等。由于增加结构的强度能够增加地震造成的不良影响，因此，增加衬砌厚度不一定是良好的措施。假使计算的轴力或者弯矩较大，改进隧道抗震性能的有效措施可能是通过提高衬砌延性并不是增大强度。通常情况下增强衬砌能够提供适当的延性，由于设置环向焊缝接头部位可能会造成横向剪切发生变形，该部位不应成为簿弱部位。除此之外环向焊缝接头还应当适当的考虑抵御渗漏的能力。如在修建地铁时，地铁的地下结构抗震通过附加钢衬砌等措施，地基的加固方式与场地的地质条件有关，与民用建筑地基部分基本相同。